专利名称：等效法收敛计变形监测方法
技术领域：
本发明属于工程测量领域中使用收敛计的变形监测方法。
背景技术：
使用收敛计的变形监测，目前采取的主要方法是直接量距法，即观测者手持收敛 计，先将收敛计钢尺挂钩挂到一个监测点上，再将收敛计的挂钩挂到另一个监测点上或基 准点上，观测两点之间的相对位移或相对水平位移或垂直位移，其工作实质是用收敛计获 得精密量距，并进行前后次量距比较。目前大多使用的是电子收敛计，当摇动手柄紧张收敛计钢尺到额定拉力时会有提 示，测量数据的读取是电子可视化的。这种收敛计精度很高，以基康GK-1610型钢尺收敛计 为例，其一次观测精度可以达到0. 3mm,是迄今为止最精确的简单测距设备之一。但是，这种 设备的使用受到以下实际限制(1)高空作业存在的高危险问题对于处于高空的监测点，采用直接量距法需要将收敛计钢尺端的挂钩挂到高空处 的一个监测点上，再将收敛计挂到另一个高空处的监测点上，然后监测这两点之间的相对 位移量。或者，将收敛计钢尺端的挂钩挂到高空处的一个监测点上，将收敛计挂到地面上的 一个固定点上，该固定点是被监测点的垂直投影点，然后量取监测点的垂直位移。不论将收 敛计钢尺挂钩或收敛计挂钩挂到高空监测点上，都需要人到达高空监测点处用双手进行操 作，由于监测工作是一项长期性的反复性工作，因此，经常进行高空作业充满了危险。并且 如果出动大量人力或使用大量财力进行各种防护措施勉强开展高空监测工作而由此带来 的高代价也是一般工程经费所难以承受的，所以不能充分发挥这一廉价高效的高精度量距 设备的作用。例如，对于大型隧道的高空变形监测作业，由于在高空作业条件下要监测两个拱 脚点之间的相对水平位移或洞顶点的垂直位移，就存在人身安全和收敛计安全两种弊端。(2)只能监测两个点之间的相对水平位移问题直接量距法只能监测两个点之间的相对水平位移，无法知道两点各自的实际水平 位移变化情况。对于隧道的围岩收敛变形监测来说，只能依据随机介质理论，假设隧道断面 的收敛变形是均勻发生的条件下开展监测工作，如假设两洞壁等高对称两点的水平位移量 是相等的。(3)垂直位移监测问题直接量距法监测一个点的垂直位移时需要在监测点垂直投影到地面上的地方建 立一个固定标志点，如建立埋石点，由于固定标志点的位置选择唯一，所以往往易受诸多施 工因素影响和破坏而无法进行周期性的垂直位移监测工作。

发明内容
〈要解决的技术问题〉
用等效法代替用收敛计直接量距法所进行的高空变形监测作业带来的高危险和 高代价问题，实现变高空高危险作业为无危险的地面安全作业，降低工程造价，节省人力、 物力和财力。并以点为监测对象，实现断面上的单点水平位移监测和垂直位移监测，还可以 监测带有倾斜角θ的任意点在其断面上的三维位移，还具有在地面或近地面附近灵活选 择挂收敛计用的基点，以避开各种施工因素干扰，使长期使用的基点在监测期间免遭破坏， 尤其适合于大型隧道的地质围岩收敛变形监测工作，也适应于非高空条件下的变形监测工 作。〈技术方案〉几个主要名词概念解释①监测和观测的区别监测指的是对变形点的变化的监视，观测指的是对具体角度、距离等数据的测量， 通过这些测量数据实现对变形点的监测。对于一个被监测点来说，一次监测可以只观测一 次，也可以观测多次，除第一次观测为必要观测外，从第二次观测开始被称为是对本次监测 的复测。②隧道断面隧道断面是垂直于洞轴线的垂直面，它与洞壁有一条交线，其交线就是隧道的开 挖规格。在这条交线上，地质人员根据需要布设一定规格的点，这些点称为围岩收敛变形监 测点，如图5就是一个5点法规格断面示意图。测量人员对所布点进行断面的围岩收敛变 形监测，以发现点的位移情况。③复位概念复位操作主要是消除各个挂钩之间在后次监测时与初始量距时的位置状态有差 异所产生的误差，还可以减弱收敛计读数误差。在一次后次监测时，往往需要连续复测几 次，目的就是实现很好的复位。复位很简单，当完成一次观测后，将收敛计取下，轻轻摆动收 敛计钢尺一端使得特征边量距系统很好地恢复到初始量距时的状态，然后再将收敛计挂上 重新来一次复测。所以用收敛计进行复测的工作量并不大。④等效三角形由一个监测点j和基点i为斜边构成的直角三角形称为等效三角形，其直角在斜 边的下方，其斜边称为特征边，另外两条边分别称为垂直直角边和水平直角边。等效三角形 由特征边、垂直直角边和水平直角边组成。由等效三角形所决定的面是一个垂直面，该面垂 直于过该面处的隧道中心线(洞轴线)。收敛监测时，用收敛计观测到的特征边变化量通过等效三角形关系换算为监测点 的水平位移或垂直位移。典型的等效三角形如图4所示，在开始变形监测工作之前，等效三 角形特征边的长度及其两条垂直边或其中之一必须事先较精确测出初始值。一般情况下初 始值在监测期间是不变的，后次监测中只观测特征边。特征边的长度应该是其两端挂钩接 触点之间的距离。等效法所监测的位移指的是被监测点在等效三角形垂直面内发生的垂直位移、水 平位移和实际位移。⑤偶基点概念挂收敛计的点称为基点，基点一般选在稳定的不受干扰的近地面处或地面上，使得人站在地面上就可以很方便的操作收敛计进行监测作业，但由于有时基点也可能会存在 微小的位移，当其位移量达到不可忽略的程度时，则应该对它们进行观测，为了观测两个等 高基点之间的相对水平位移而建立的两个基点称为偶基点。偶基点之间的相对水平位移是在人工能够在非高空作业条件下使用收敛计直接 量距得到的。建立偶基点概念，是为了当基点存在位移时，能够对由它引起的相关高空点的位 移误差进行改正。对于隧道工程而言，偶基点是位于隧道两臂上的对称等高点、其连线垂直 于洞轴线。将观测得到的偶基点之间的相对水平位移各分一半给两个基点，其位移方向相 反。为了统一期间，偶基点之间的距离也称为特征边。⑥隧道断面上两类特定方向上的位移两类特定方向上的位移，即垂直位移和在一定垂直面内的水平位移，这样的水平 位移一般是指在由基点和监测点所决定的垂直面上的水平位移。监测点的实际位移量是以 这两个位移为直角边的直角三角形的斜边长。对于隧道监测来说，水平位移是指在一定隧道断面上两拱脚或两洞壁对称点在水 平方向上的位移，垂直位移是指洞顶点在垂直方向上的下沉。但是，如果要对拱弧上的点进行监测，则应该考虑监测点不仅具有水平位移，还要 考虑受重力作用垂直向下位移的情况。即，实际位移是监测点沿过该点拱弧切线的垂线方 向上的位移，也可以说是沿切线的法线方向上的位移。这时，如果要求水平位移，则应该增 加倾斜角θ改正。θ角是点的法线方向与过该点的水平方向的夹角。θ角的测定易采用 图解法，有两种方法一是先在图纸上设计好监测点的位置，然后到实地建立点位；第二种 方法是先在隧道断面上建立好点位，再将其位置搬到图上图解出θ角。将隧道断面围岩收敛变形监测中朝向隧道中心方向的位移定为正值，所以由于监 测点的位移所引起特征边的变化量Δ1为Δ 1 = I0-I ( Δ 1 彡 0)其中I0为特征边的初始值；1为该特征边的后次观测值。一.点的水平位移监测(一)如图6的几何关系可以看出，监测点的水平位移用下式计算χ = Jio-^-Jl2 -h20-d (1)其中χ为水平位移；h0为垂直直角边；d为基点的水平位移，若偶基点之间存在相对水平位移，则d取其之半，若基点稳 定，则d = 0。对式(1)求全微分并转换为中误差方程得到水平位移中误差估计式mx = l[s0Al - 0(χ + d)]2mfg + h20(_x + d)2m2ho + s^l20m2M + s^mj (2)
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其中Δ 1可通过给定的水平位移χ求出⑴= I0- ^h20 + (s0 - d - χ)2 ；S0为水平直角边；"V为1。的中误差；叫。为hQ的中误差；πιΔ1为Δ 1的中误差，它是影响mx的主项。当I0与1精度相同时，则_ = VImi (Hi1 为收敛计一次观测中误差)，若I0的误差可以忽略不计时，则πιΔ1 = mi。md为d的中误差，如果基点稳定，则md = 0，否则，设偶基点之间的相对水平位移为 Δ 1，则d = Δ 1/2，当偶基点之间特征边的初始值和后次观测值精度相同时，则 =m;/V2； 如果叫。和^ 。对水平位移χ的影响可以达到忽略不计的程度，则
权利要求
等效法收敛计变形监测方法，是一种通过收敛计量距监测点的位移的方法，其特征是监测一个点的水平位移或垂直位移。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是监测点的水平位移用下式计算x = Jl2o-h20-Jl^-h20-d (1)其中x为水平位移；Itl为特征边的初始值；1为该特征边的后次观测值；％为垂直直角 边；d为基点的水平位移，若偶基点之间存在相对水平位移，则d取其之半，若基点稳定，则d =0 ；对式(1)求全微分并转换为中误差方程得到水平位移中误差估计式=士] /Mi -l0(x + d)]2mfo + h20(x + d)2m2ho + s^l20m2M + S^m2d (2) 5O "V其中Δ 1可通过给定的水平位移χ求出⑴= I0- V^+ (^0-d-χ)2 ；S0为水平直角边； 叫。为1。的中误差； 为hQ的中误差；πιΔ1为Δ 1的中误差，它是影响mx的主项，当1。与1精度相同时，则^i = VImi (Hi1为收 敛计一次观测中误差)，若I0的误差可以忽略不计时，则πιΔ1 = Hl1 ；md为d的中误差，如果基点稳定，则md = 0，否则，设偶基点之间的相对水平位移为Δ 1， 则d = Δ 1/2，当偶基点之间特征边的初始值和后次观测值精度相同时，则 =m;/々;如果 叫。和"^。对水平位移χ的影响可以达到忽略不计的程度，则= 士 ^gm么 +S02JT^ (3)sO N如果基点稳定，则mx = λ 3πιδ1(4)其中= lo/so
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是监测带倾斜角θ的点的水平位移用下述 方法有些情况下，点位可能是沿着在其垂直面内与水平方向成一定倾斜角 θ θ <90° )的实际方向位移的，这时为了得到水平位移分量χ，则可以按下述方法 进行χ = Vo-^o — V2-^1O - d^h = h0_y、y = xtan θ、h = h0-xtan θ 综合以上各式得X与θ角的关系方程为χ = Jlo — ^q — ^l2 — [h0 — xtan θ]2 — d其中:Χ'为实际位移量；y为垂直位移分量； 解方程得求得X以后，还可以求出实际位移量X'，即
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征是(一)间接法求垂直位移如果给出一个很小的正数ε (例如令ε = 0.0001° )，使θ左接近90°，即令θ = (90- ε)°，让tan θ既存在又能保证计算精度，这样(5)式和(6)式可以成为垂直位移χ' 的计算方法之一，即先用(5)式计算出X，再用(6)式计算出χ'；(二)直接法求垂直位移监测点的垂直位移计算公式可用下述方法求得对于式(5)来说，当θ =90°时，将达到一个极限状态，此时的实际位移量χ'将变成垂直位移，这时式中的tan90°将不存在，水平位移χ达到了极限值0，于是出现不定型式,_ χ _ 0 _ 0 X ~ cos θ ~ cos 90° ~ 0因为χ'的极限是存在的，所以χ' = Iim -Θ—90° cos θ将式(5)式代人上式化简整理得x' =h0-JP-^l20-h20-dJ (12)而垂直位移的中误差用下式估计mx = ^(S0Al - 10 )2η ο + (s0x' - h0d)2m2ho + S02^mji + s^mj (13)其中δι可以通过给定的垂直位移x'求出..δι = ι0-/(h^tyt^ly 如果叫。和mft。对水平位移χ的影响可以达到忽略不计的程度时，则^x = 士去 J^mL + 功 m2d (14)如果基点稳定，则mx = AhIiiA1(15)其中Xh= lQ/hQ
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是为了提高监测精度，可以进行多余复测，其 复测次数ω用下述方法确定假设一个点的位移量用χ表示，则一般地可以近似表示成 χ = λ Δ 1(16)其中λ为图形条件系数，根据不同的图形条件则λ =入11或λ3，λ可以将通过收敛 计观测到的特征边的变化量Δ 1近似地变换为实际水平位移或垂直位移，而复测次数在考 虑特征边初始值误差时为ω = 2λ2(17)若不考虑特征边初始值误差时为ω = λ2(18)
全文摘要
本发明公开了一种等效法收敛计变形监测方法，用以等效代替用收敛计直接量距法所进行的高空变形监测作业带来的高危险和高代价问题，实现变高空高危险作业为无危险的地面安全作业，降低工程造价，节省人力、物力和财力。本发明以点为监测对象，实现断面上的单点水平位移和垂直位移监测，并且还可以监测带有倾斜角θ的任意点在其断面上的三维位移，还可以有效地避开施工干扰，尤其适合于大型隧道的地质围岩收敛变形监测工作，也适应于非高空条件下的变形监测工作。本发明还推荐了一种简单易行的特征边组成方法，使得监测工作安全方便且投资小，需要增加的主要辅助设备仅是一些普通细钢丝和一根伸缩杆，并且还基本上可以实现1人独立作业。
文档编号G01B5/30GK101982723SQ20101053519
公开日2011年3月2日 申请日期2010年11月9日 优先权日2010年11月9日
发明者杨浩 申请人:杨浩